Warum benötigen Abwärtsschaltregler (Step-down) eine Induktivität und eine Diode?

Abwärtswandler sind so einfach wie Aufwärtswandler. Tatsächlich sind sie genau dieselbe Schaltung, nur rückwärts gesehen, wenn wir die Freiheit haben zu wählen, welcher Schalter (von den beiden) als gesteuerter Schalter fungiert (oder beide, wenn es sich um einen Synchronwandler handelt).

In Bezug auf Ihren zweiten Absatz würden Sie dadurch Verluste erleiden. Mehr als bei einem induktorbasierten Schaltregler und viel viel mehr als bei einem Linearregler. Jedes Mal, wenn Sie eine Spannungsquelle an einen Kondensator anschließen, dessen Anfangsspannung nicht mit der der Spannungsquelle übereinstimmt, verschwenden Sie zwangsläufig Energie. Selbst wenn Sie keinen expliziten Widerstand sehen, ist er im wirklichen Leben vorhanden, und (merkwürdigerweise) egal wie klein er ist, er verschwendet dieselbe Energiemenge. Siehe hier .

Ladungspumpen funktionieren wie Sie sagen, sind jedoch weniger effizient als induktorbasierte Schaltregler.

Das ist also die Rechtfertigung für die – scheinbar unnötige – zusätzliche Komplexität von induktorbasierten Schaltreglern.

Mehr : Um Ihnen eine Vorstellung davon zu vermitteln, warum es Abwärts- und Aufwärtswandler gibt, sehen Sie sich diese Abbildung an.

Wenn Sie versuchen, Energie zwischen zwei unterschiedlichen Spannungsquellen oder zwischen zwei unterschiedlichen Stromquellen zu bewegen, treten unvermeidliche Verluste auf. Andererseits können Sie Energie verlustfrei bewegen (und dabei sogar eine gewisse Spannungs- oder Stromskalierung vornehmen) , wenn Sie eine Spannungsquelle an eine Stromquelle anschließen. Das passive physikalische Element, das einer Stromquelle am ähnlichsten ist, ist eine Induktivität. Aus diesem Grund gibt es induktorbasierte Schaltregler.

Ladungspumpen würden sich in der linken Spalte befinden. Ihr theoretischer maximaler Wirkungsgrad liegt unter 100 % (der tatsächliche Wirkungsgrad hängt von der Differenz der Spannungen und den Kapazitäten ab). Schaltregler auf Induktivitätsbasis befinden sich in der rechten Spalte. Ihr theoretischer maximaler Wirkungsgrad liegt bei 100 % (!).

Das Problem mit dem, was Sie beschreiben, ist aktuell. In einem Tiefsetzsteller können Sie durchschnittlich 10 A herausholen mit nur 5 A hinein, weil die anderen 5 A durch die Diode zum Ausgang gelangen. Und die Diode ist nur wegen des induktiven Kicks vorwärts vorgespannt. Ohne die Induktivität und die Diode gibt es nur einen Pfad für den Stromfluss zum Ausgang, und zwar direkt aus dem Eingang. Wenn Ihr durchschnittlicher Ausgangsstrom bei dieser Topologie 10 A beträgt, muss Ihr durchschnittlicher Eingangsstrom ebenfalls 10 A betragen. Und wenn Sie Spannung vom Eingang zum Ausgang verlieren, während der Strom gleich bleibt, wird die verlorene Energie als Wärme abgeführt. Dies vereitelt den Zweck, einen Schaltregler anstelle eines Linearreglers von vornherein zu verwenden.

Wenn Sie außerdem zwei Kondensatoren mit unterschiedlichen Spannungen nehmen und einfach einen Schalter zwischen ihnen schließen, wird der Momentanstrom sehr, sehr groß sein. Modellieren Sie jede Kappe als Thevenin-Quelle, eine perfekte Spannungsversorgung mit einem Widerstand in Reihe. Der Widerstand des Pfads zwischen den beiden perfekten Quellen ist der Einschaltwiderstand des Schaltgeräts plus der ESR beider Kappen. Der ESR der Kappen wird wahrscheinlich in der Größenordnung von 1 mOhm liegen, wenn nicht viel weniger. Der Durchlasswiderstand eines Transistors kann variieren, beträgt aber wahrscheinlich nicht mehr als 100 mOhm. Wenn Sie also eine Differenz von 10 V zwischen Eingang und Ausgang haben, beträgt Ihr sofortiger Eingangs- / Schalterstrom beim Einschalten des Schalters mindestens 100 A und möglicherweise Tausende von Ampere.

Natürlich werden Sie diese Spitzen nur hin und wieder haben, abhängig von der Ausgangslast und der Enge Ihrer Vergleichsschleife. In der restlichen Zeit ist Ihr Eingangs- / Schalterstrom Null. Sie ziehen also möglicherweise einen Durchschnitt von 1 A, aber der Eingang sieht 1000 A-Spitzen bei einem Tastverhältnis von 0,1 %. Regelmäßige große Stromspitzen wie diese werden die richtige Sicherung zu einem Problem machen; Der RMS-Strom dieser Art von Welle beträgt etwa das 18-fache des Durchschnittsstroms! Sie benötigen auch einen kräftigeren Schalter, der bei so hohen Momentanströmen nicht in die Sättigung geht. Ganz zu schweigen von dem elektromagnetischen Rauschen, das diese Anordnung abschrecken würde!

Lassen Sie den Transistor besser in einem analogen Modus und stellen Sie einfach seine Gate-Spannung so ein, dass der Drain-Source-Widerstand die Ausgangskappe auf der gewünschten Spannung hält. Und da haben Sie einen Linearregler.

Nick - Ich überlasse die Diskussion über Induktorwandler weitgehend anderen und gehe auf Folgendes ein:

Warum nicht einen Abwärtswandler als Schalter bauen, der einen Kondensator auflädt, wobei der Schalter von einem Komparator gesteuert wird, der die Ausgangsspannung mit einer Referenz vergleicht? Wäre das nicht viel einfacher, Sie könnten anstelle der Induktivität einen einfacher und billiger erhältlichen Kondensator verwenden und die Diode vollständig überspringen?

Mit SEHR speziellen Methoden ist es möglich, Kondensatorwandler herzustellen, die Energie effizient von einem Spannungsniveau auf ein anderes umwandeln. ABER vereinfachende Methoden scheitern schlecht. Ein einstufiger Kondensatorwandler, der die Spannung halbiert, indem Ladung von einem Kondensator in einen anderen mit gleicher Kapazität geleitet wird, hat einen THEORETISCHEN Wirkungsgrad von 50 % und einen praktischen Wirkungsgrad von nicht mehr als dem theoretischen und wahrscheinlich weniger. Dies liegt an der einfachen Anwendung der „Gesetze der Physik“. Die unglückliche Realität ist, dass die Anforderungen zur Erzielung eines guten Wirkungsgrads mit einem Induktor-Basiswandler viel einfacher zu erfüllen sind als mit einem Kondensator-basierten.

Versuchen Sie dieses einfache Gedankenexperiment.
Nehmen Sie zwei Kondensatoren C1 und C2 mit gleicher Kapazität.
Laden Sie C1 auf 10 V auf.
Eine Grundformel für Ladung und Kapazität lautet V = kQ/C
, wobei V die Kondensatorspannung, k eine Konstante, Q die Ladung und C = Kapazität ist. Verbinden Sie nun C2 mit C1.
Die Ladung in C1 wird nun zu gleichen Teilen zwischen C1 und C2 aufgeteilt.
Die Spannung an jedem Kondensator beträgt also 5 V - entweder weil die Ladung an jedem halb so groß ist wie ursprünglich oder weil sich die Kapazität verdoppelt hat - zwei Betrachtungsweisen.

So weit, ist es gut.

ABER die Energie in einem Kondensator beträgt 0,5 x C x V^2.

Anfänglich über E = 0,5 x C x 10^2 = 50C Energieeinheiten.
Nach dem Kombinieren der beiden Kondensatoren Energie pro Kappe = 0,5 x C x 5^2 oder für zwei Kappen
Energie = 2 x 0,5 x C x 5^2 = 25C ​​Energieeinheiten.
Ach je ! :-(.
Allein durch die Kombination der beiden Kondensatoren und deren Aufteilung der Ladung haben wir die vorhandene Energie HALBIERT!
Die Hälfte der Energie ist dabei verloren gegangen!
Diese scheinbar bizarre und unerklärliche Tatsache ist auf resistive Energieverluste während der Übertragung zurückzuführen. At AM BESTEN verlieren wir die Hälfte der Energie, wenn sich die Spannung auf diese Weise halbiert.Das minimale Ergebnis der verlorenen Energie ist das gleiche, egal ob wir einen großen Widerstandswert zur Energieübertragung oder einen sehr niedrigen Widerstandswert wie ein Stück Draht verwenden - einen kleinen Bruchteil davon ein Ohm. Im letzteren Fall erhalten wir extrem hohe Ströme.

Eine "offensichtliche" Lösung besteht darin, die Kondensatoren zum Laden "übereinander zu stellen" und zum Entladen parallel zu platzieren. Das funktioniert! Für einen Zyklus. Theoretischer Wirkungsgrad = 100 %. In der Praxis erfordert dies in diesem Fall mindestens 2 x Umschalter mit Komplexität und Verlusten und funktioniert nur für ein Verhältnis von 2: 1. Schlimmer noch, wenn wir die Kappenspannung mit Last reduzieren, damit sie für den nächsten Zyklus wieder aufgeladen werden muss, stellen wir fest, dass die Wiederaufladung die gleichen Widerstandsverluste wie zuvor aufweist. 100% theoretische Effizienz erreichen wir nur, wenn wir keinen Strom entnehmen :-(.
Eine Art Lösung besteht darin, dass die Kondensatorspannung nur um einen sehr geringen Betrag abfällt und sich nur um einen geringen Betrag auflädt. Wenn wir dies tun, kann der Wirkungsgrad nahezu 100 % betragen, ABER wir brauchen große Obergrenzen pro Laststrom (da der größte Teil der Kapazität nur dazu verwendet wird, die Spannung konstant zu halten) und wir haben immer noch nur ein Umwandlungsverhältnis von 2: 1. Andere Verhältnisse können erreicht werden, aber es ist ärgerlich, wird komplex und teuer und hat in den meisten Fällen wenige oder keine Vorteile gegenüber der Verwendung von Induktoren. Einige sehr spezialisierte Konverter arbeiten auf diese Weise, aber sie sind selten. Und Sie können Aufwärts- oder Abwärtswandler-ICs mit einigen festen Verhältnissen wie 2: 1, 3: 1, 4: 1 kaufen, aber sie sind normalerweise stromsparend, Vout fällt mit der Last ab (höher Zout als schön) und sie sind normalerweise minderwertig in vielerlei Hinsicht zu einem induktorbasierten Wandler.

Aus diesem Grund sehen Sie normalerweise einen netten, einfachen, billigen einfachen Abwärtswandler, der für die Spannungsabwärtswandlung verwendet wird. Der eigentliche Konverter verwendet 1 x L, 1 x D, 1 x Schalter (MOSFET oder was auch immer) und der Rest ist "Kleber" oder Verbesserungen. Die Steuerung kann auch sehr einfach sein.

Es wäre unmöglich, die Spannung des Kondensators konstant zu halten. Jedes Mal, wenn Sie den Schalter schließen, wird eine Spannung (welche Spannung?) darauf abgelassen, und die Spannung würde aufgrund einer hohen Stromspitze steigen. Das würde dem Kondensator auch nicht gefallen. Und Sie verlieren viel Energie beim Schalten.

In einem Umschalter sorgt die Spule dafür, dass der Strom, der den Kondensator auflädt, gleichmäßig ansteigt und im Mittel dem Laststrom folgt. Die Diode wird benötigt, wenn der Schalter öffnet. In diesem Moment hat die Spule ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Energie irgendwo hin muss. Die Diode schließt die Schleife, die es dem Strom der Spule ermöglicht, weiter zu fließen.

Dank fortschrittlicherer Schaltgeräte sind Abwärtswandler heutzutage viel einfacher zu bauen, als ihre Betriebstheorie vermuten lässt. Und sie können einen Wirkungsgrad von bis zu 95 % erreichen, was das einfache Ein- und Ausschalten eines Kondensators niemals erreichen kann.

Der einfachste Weg, die Notwendigkeit der Diode zu verstehen, besteht darin, darüber nachzudenken, wie oft Elektronen bei jedem Durchgang durch die Versorgung durch die Last gehen können. Wenn keine Diode vorhanden ist, muss jedes Elektron, das durch die Last geht, wieder durch die Versorgung zurückgehen, bevor es die Last erneut besuchen kann. Das Hinzufügen der Diode ermöglicht es einigen Elektronen, die Last zu besuchen, durch die Diode zu gehen und die Last erneut zu besuchen, ohne durch die Versorgung zurückgehen zu müssen. Die Spule ist notwendig, da ohne sie Elektronen, die durch die Last gehen und die Diode erreichen, nicht genug Energie haben, um durch die Diode zu gehen und die Last erneut zu besuchen. Die Spule absorbiert überschüssige Energie von den frisch aus der Versorgung kommenden Elektronen und führt diese dann den rezirkulierten Elektronen zu.

Sie können eine Gleichspannung mit einem Widerstandsverhältnis, einem in Reihe, Rs und dem Widerstand, RL und der Last im Shunt auf Masse heruntersetzen, aber Sie wissen, dass es mit Leistungsverlust = V * I in der Reihe Rs nicht effizient ist.

Sie können mit einem geschalteten Widerstandsverhältnis (wie Sie vorgeschlagen haben) heruntersteigen, und dann ist der Serienwiderstand eine Funktion des Arbeitszyklus und des effektiven Serienwiderstands (ESR) des Schalters.

daher Rs = ESR / T {wobei T die EIN-Zeit / Zykluszeit für T = 0 bis 1 ist}

Jetzt benötigt Ihre Last eine Kapazität, um die Spannung zu stabilisieren, und möglicherweise einen aktiven Zener, und es wird immer noch einen Verlust im Vorwiderstand geben. Betrachten Sie ein Verhältnis von 10: 1, dann ist der Strom 10x höher, aber in 1/10 der Zeit, also P = V * I * T, ist der Leistungsverlust derselbe wie bei einem Linearregler. Sinn ergeben?

Der Induktor liefert den konstanten Strom, während er die Spannung absenkt. Da der Strom für das taktgeschaltete Wechselstromsignal als Abwärtswandler weitgehend reaktiv und phasenverschoben ist, ist er viel effizienter. Sinn ergeben? Indem Sie die Blindimpedanz viel niedriger als die Last machen, können Sie noch effizienter werden. Dies bedeutet, die Schaltrate und den Induktivitätswert zu erhöhen. Die Ferrit-Sättigung erreicht jedoch eine praktische Stromgrenze, und es ist entscheidend, bei viel größeren Strömen mit Luftspalt-Ferrit zu arbeiten.